Для решения задач усиления сигналов применяются либо операционные, либо инструментальные усилители. Для приложений, где необходима высокая точность и стабильность, от микросхем требуются низкий уровень ЭДС-шумов при высокой линейности, а также низкое напряжение смещения (обычно приводится ко входу) и низкий температурный дрейф этого напряжения. Ток смещения со своим температурным дрейфом тоже может внести свою долю в ошибку измерения, но его влияние в последнее время ослаблено значительным снижением входного тока. Тем не менее, при работе с высокоомными источниками его приходится учитывать, как и уровень токовых шумов. Еще одним параметром, существенно влияющим на точность измерения, особенно в условиях сильных помех, является уровень подавления синфазных сигналов. Среди выходных параметров усилителей, влияющих на точность, следует выделить скорость нарастания и время установления выходного напряжения.

Операционные усилители

Ультрамалошумящий операционный усилитель MAX410/2/4 имеет гарантированную плотность шума на частоте 1 кГц не более 2,4 нВ/√Гц (типовое значение 1,5 нВ/√Гц). Для оптимизации этого параметра пришлось, в частности, отказаться от токоограничивающих резисторов, которые обычно включают последовательно с диодами на входе для защиты от повышенного дифференциального напряжения. Помимо низкого уровня шумов, ОУ MAX410/2/4 обладает очень высокой точностью и стабильностью (табл. 1), что позволяет использовать его для буферизации 24-разрядного АЦП MAX11040 (рис. 1). MAX410 имеет вариант поставки в миниатюрном корпусе TDFN.

Таблица 1. Параметры прецизионных ОУ Maxim

Наименование	Напр. питания (ток потр., тип., мкА), В	Входной ток, макс., нА	Напр. смещения, прив. ко входу, макс., мкВ (темп. дрейф, макс., мкВ/°C)	Плотность ЭДС шума, прив. ко входу, нВ/√Гц (f=1 кГц)	Частота единичного усиления, МГц	Особенности, корпус
MAX4236/7	2,4...5,5 (350)	0,5	20 (2)	14	1,7/7,5	Ультрапрецизионный (SOT-23, mMAX, SO)
MAX4238/9	2,7...5,5 (600)	0,001, тип.	2 (0,01, тип.)	30	1/6,5	Ультрапрецизионный, автокомпенсация смещения и шума 1/f (TDFN, SOT-23, SO)
MAX4249-57	2,4...5,5 (420)	0,1	750 (0,3, тип.)	8,9	3/22	Малошумящий, ультралинейный (UCSP, SOT-23, mMAX, SO)
MAX4475-78/88/89	2,7...5,5 (2,5)	0,15	350 (6)	4,5	10/42	Малошумящий, ультралинейный (TDFN, SOT-23, mMAX, SO)
MAX410/2/4	±2,7...±5,25 (2500)	150	250 (1, тип.)	1,5	28	Ультрамалошумящий (TDFN, SO, DIP)
MAX4074/5	2,5...5,5 (37)	1	200, тип. (0,3, тип.)	-	4, G>=25	С фиксированным коэф. усиления (54 значения), защита входов ±17 В (SOT-23, mMAX, SO)
MAX4174/5 MAX4274/5	2,5...5,5 (355)	10	500, тип. (5, тип.)	-	23, G>=25	С фиксированным коэф. усиления (54 значения), защита входов ±17 В (SOT-23, mMAX, SO)

 

 

Рис. 1. Схема буферизации дифференциального входа 24-битного АЦП с помощью ОУ MAX412

Ультралинейный малошумящий широкополосный усилитель MAX4475-78/88/89 имеет суммарный уровень искажений и шумов 0,0007% на частоте 20 кГц и нагрузке 10 кОм. Плотность шума на частоте 1 кГц составляет 4,5 нВ/√Гц, напряжение смещения и температурный дрейф, приведенные ко входу составляют соответственно ±70 мкВ и ±0,3 мкВ/°C (тип.).

Радикально решить проблему смещения и температурного дрейфа позволяет метод автокоррекции - постоянного периодического измерения напряжения смещения и его компенсацииии. Это также позволяет эффективно бороться с шумами 1/f в низкочастотном диапазоне. Ранние реализации этого метода страдали от многих характерных недостатков, включая довольно высокий уровень шумов на частоте работы системы и длительное восстановление после насыщения. Оригинальная запатентованная система автокоррекции, примененная в ОУ MAX4238/9, работает с псевдослучайной перестройкой частоты (spread-spectrum) в диапазоне от 10 до 15 кГц. Плотность шума на частоте 1 кГц составляет 30 нВ/√Гц, а размах напряжения шума в диапазоне частот от 0,01 до 10 Гц, приведенный ко входу, не превышает 1,5 мкВ. Типовое время восстановления до 16-битной точности (0,0015%) после насыщения составляет 5,7 мс. Усилитель имеет очень низкий входной ток 1 пА (тип.) и рекордно низкое напряжение смещения и температурный дрейф - соответственно ±0,1 мкВ и ±10 нВ/°C (тип.).

Для установки требуемого коэффициента усиления удобно использовать микросхему в миниатюрном корпусе SOT-23 из двух согласованных резисторов MAX5490/1/2. Кроме этого существуют ОУ со встроенными резисторами - MAX4074/5, MAX4174/5 и MAX4274/5 (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Схема ОУ с фиксированным коэффициентом усиления

Отличительной особенностью этих микросхем является наличие защиты входов от перегрузки по напряжению до ±17 В. Каждый из усилителей имеет на выбор 54 значения отношения резисторов Rf/Rg в пределах от 0,25 до 100 с точностью 0,1%. ОУ MAX4274/5 имеет также резистивный делитель для установки смещения, равного половине напряжения питания.

Инструментальные усилители

Классическая схема построения инструментального усилителя изображена на рисунке 3a.

 

Рис. 3. Схема инструментального усилителя с традиционной архитектурой из трех ОУ (а) и архитектурой «indirect current-feedback» (б)

Такую архитектуру имеют микросхемы MAX4194-97 (табл. 2).

Таблица 2. Параметры инструментальных усилителей Maxim

Наимено- вание	Напр. питания, В (ток потр., тип., мкА)	Входной ток, макс., нА	Напр. смещения, прив. ко входу, макс., мкВ (темп. дрейф, макс., мкВ/°C), G=10	Плотность ЭДС шума, прив. ко входу, нВ/√Гц (f = 1 кГц,  G=10)	Диапазон входного напряжения, В,  при Vcc=5 В	Особенности, (корпус)
MAX4194-97	2,7...7,5 (93)	20	225 (2)	31	-0,2...+3,9	Прецизионный, классическая архитектура (SO)
MAX4198/9	2,7...7,5 (45)	-	300 (3)	39	-0,1...+5,1	Прецизионный дифференциальный усилитель (mMAX, SO)
MAX4460/1/2	2,85...5,25 (800)	0,1	250 (1,5, тип.)	38	-0,1...+3,3	Архитектура indirect current-feedback (TDFN, SOT-23, SO)
MAX4208/9	2,85...5,5 (750)	0,001, тип.	20 (0,2)	140	-0,1...+3,7	Ультрапрецизионный, архитектура indirect current-feedback, автокомпенсация смещения и шума 1/f (mMAX)

Несмотря на широкую распространенность, схема из трех ОУ имеет существенный недостаток, накладывающий значительные ограничения при однополярном питании. Это выражается в ограничении допустимого диапазона входных синфазных напряжений (Vcm) из-за насыщения первого каскада (усилители A и B), поскольку он имеет коэффициент передачи равный еденице для Vcm. На рисунке 4a приведена рабочая область для Vref равного половине напряжения питания (V_СС).

         

а)

 

            

б)

 

Рис. 4. Рабочая область входного синфазного напряжения при Vref = Vcc/2 для: (а) традиционного инструментального усилителя, (б) усилителя с архитектурой «indirect current-feedback»

Внутри шестиугольника находится область допустимых синфазных напряжений. При однополярном питании наиболее оптимальное использование инструментального усилителя достигается при размахе выходного напряжения от «земли» до напряжения питания. В этом случае область допустимых синфазных напряжений находится в заштрихованном прямоугольнике, то есть теряется область в районе «нуля». Подробнее эта проблема описана в статье по применению AN4034 (www.maxim-ic.com/an4034 ).

Учитывая то, что в настоящее время разработчики все чаще отказываются от двуполярного питания, особенно в батарейных устройствах, компанией Maxim была разработана и запатентована принципиально новая архитектура инструментального усилителя indirect current-feedback (рис. 3б).

Она позволяет значительно расширить допустимый диапазон входного синфазного напряжения и задействовать область в районе нуля, в том числе и при максимальном размахе выходного напряжения (рис. 4б). Усилители A и B представляют собой источники тока, управляемые напряжением. Их особенностью являтся нулевой коэффициент передачи для входного синфазного напряжения. Таким образом, оно подавляется в первом каскаде усиления (усилитель A), а не во втором, как в случае классической архитектуры (усилитель C на рис. 3a). Основное усиление входного дифференциального напряжения обеспечивает усилитель С (рис. 3б). Коэффициент передачи схемы в целом зависит от соотношения резисторов R1 и R2. Они могут располагаться как вне микросхемы (можно использовать MAX5490/1/2), так и внутри нее. В последнем случае коэффициент усиления будет фиксированным.

Архитектуру indirect current-feedback имеют микросхемы MAX4460/1/2 и MAX4208/9. Причем инструментальные усилители MAX4208/9 оснащены еще и оригинальной системой автокоррекции, аналогичной той, что применяется в ОУ MAX4238/9, а также буферным усилителем напряжения Vref. Размах напряжения шума в диапазоне частот от 0,1 до 10 Гц микросхем MAX4208/9, приведенный ко входу, не превышает 2,5 мкВ, а напряжение смещения и температурный дрейф составляют соответственно ±3 мкВ и ±10 нВ/°C (тип.).

Дополнительную информацию и более подробные технические характеристики указанных микросхем можно найти на сайте www.maxim-ic.com. Статьи и руководства по применению на русском языке доступны по адресу www.maxim-ic.ru/design/ .

 

 

Получение технической информации, заказ образцов, поставка -
e-mail: analog.vesti@compel.ru